CN109314575A - 光学总线 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有启动状态和至少一种工作状态的光学总线系统(1)。该光学总线系统(1)包括机械支撑结构(21)，该机械支撑结构被布置成接收并保持具有下行光学接口(3)的主模块(2)、以及各自具有上行光学接口(7)和下行光学接口(8)的一组从模块(6)。这些模块被附接至该机械支撑结构(21)以使得相邻模块的光学接口相对准并且彼此非常接近，以便实现相邻模块之间的光学通信(24，25)。每个从模块(6)进一步配备有用于在启动状态中完成寻址程序之后根据工作状态形成一个或两个分流信号路径(30，31)的电路系统。因此，例如，可以实现具有高带宽能力的稳健且具有成本效益的光学总线系统。

Description

光学总线

技术领域

本发明涉及一种光学总线通信系统。

背景技术

现代电气系统中一种通常非常重要并且核心的部分是所谓的总线。简而言之，总线是在计算机的不同功能(外围)单元之间或者在计算机之间传送数据的通信系统或通信路径。早期的总线由不同单元之间的并行导线组成，而如今该术语用于描述在计算机中的不同功能单元之间或者在工业系统的不同单元之间分发信息的所有类型的装置。在某种程度上，可以说不同的功能单元形成了不同的子系统，这些子系统被集成到能够实现数据传输、寻址、控制等的较大总线系统中。

常见类型的总线架构具有多个功能单元，所谓的模块，这些模块可连接至公共通信线路，并且其中，每个模块具有其自己的处理单元。一些模块可以配备有输入/输出(I/O)接口，以便使得外部单元可以与处理单元通信。例如，这些类型的系统用于比如汽车等各种车辆中。现代汽车通常配备有监测/监视汽车的不同方面和功能的计算机。该监测经常借助于各种传感器来实现，这些传感器直接向计算机提供信息、或者提供指示条件为真或假的其他信号。此外，现代汽车通常具有比如制动系统、安全气囊、巡航控制、转向、照明、车窗等多个不同的子系统，并且所有这些子系统都由计算机监测并控制。这些各种子系统与计算机之间、以及还有这些子系统本身之间的通信路径通常由总线提供。

这些系统或架构的优点在于可以改变子系统的数量和类型。例如，使总系统适配于特定应用和环境相对简单，可以在无需替换完整系统的情况下来更新和添加功能，并且，由于可以分离子系统，因此便于维护和故障排除。

然而，由于在过去的几十年中计算机技术的快速发展，并且由于对更大子系统的需求迫使各个模块处理越来越多的外部单元，这因此增大了需要由总线处理的信息量，导致出现越来越多的问题。这些总线的实际限制通常与其纯电接触/电连接相关，这已经被证明成为在带宽和效率方面某种程度上的瓶颈。

这些电连接的越来越流行的替代方案是使用光学解决方案。与这些电连接相比较，光学连接通常具有若干优点，比如，改善的带宽、降低的损耗、电磁干扰(EMI)方面的稳健性等。

然而，当前可用的光学总线存在许多问题和局限性。例如，如果它们要像电子等效物一样可靠，那么它们通常过于昂贵。此外，已经证明难以提供满足相关速度的要求并且同时实现自动寻址/定位的相对简单且具有成本效益的(光学)架构。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种减轻目前已知系统的上文所讨论的缺点中的全部或至少一些缺点的光学总线系统。

通过如所附权利要求书中所限定的光学总线系统来实现此目的。

根据本发明的一个方面，提供了一种具有启动状态和工作状态的光学总线系统，该系统包括：

机械支撑结构；

主模块，机械地附接至该机械支撑结构，该主模块包括下行光学通信接口，该下行光学通信接口包括主光学发射器和主光学接收器；

一组从模块，在该主模块旁边依次成行地机械附接至该支撑结构，该组从模块包括布置在该主模块旁边的第一从模块以及至少一个后续从模块，每个从模块包括：

处理电路，

上行光学通信接口，包括上行光学接收器和上行光学发射器，

下行光学通信接口，包括下行光学接收器和下行光学发射器，

下行信号路径，经由该处理电路从该上行光学接收器到该下行光学发射器，以及

上行信号路径，经由该处理电路从该下行光学接收器到该上行光学发射器；

其中，该第一从模块的该上行光学通信接口与该主模块的该下行光学通信接口光学接触，并且每个后续从模块的该上行光学通信接口与该行中的前一从模块的下行光学通信接口光学接触，以便实现相邻模块之间的光学通信；

其中，在该启动状态期间，在每个从模块中，该处理电路配置为实施菊链式拓扑并执行寻址程序，由此，该主模块配置为检索每个从模块的位置和标识码；

其中，在该工作状态期间，在每个从模块中，该处理电路系统配置为闭合上行开关以使得从该下行光学接收器到该上行光学发射器形成分流上行信号路径，除了该上行信号路径之外，该组从模块的分流上行信号路径一起形成上行光学总线，从而允许每个从模块使用该位置和标识码与该主模块直接通信。

因此，提出了一种简单且具有成本效益的光学总线系统，其能够自动寻址，并且与目前已知更低成本的光学总线系统相比还具有优越的带宽能力。术语示例性的在本上下文中应解释作为示例、实例或展示。

机械支撑结构可以是能够接收并保持多个模块的任何常规支撑结构，比如常规DIN导轨或者全文并入本文的美国专利号5 842 889中所公开的导轨及相应的锁紧固装置等。处理电路可以是基于硬件或基于软件的解决方案或其组合，如本领域中已知的。

术语下行和上行参考主模块，即，下行应解释为在沿从模块的链远离主模块的方向上，而上行是相反方向(朝向主模块)。因此，从模块的上行光学接口是当附接至支撑结构时从模块中面朝主模块的接口，即，当从模块附接至支撑结构时从模块中具有朝向主模块的法线向量的表面。因此，光学部件的标签基于其物理位置，即，基于它们是布置在上行光学通信接口还是下行光学通信接口处。因此，上行光学接收器实际上沿下行信号路径定位并接收下行信号，并且下行光学接收器相应地沿上行信号路径定位并接收上行信号。

本发明基于以下认识：通过提供具有不同工作状态的光学总线系统，可以利用使用光学通信的有益性质，比如模块之间良好的电流隔离、简单且稳健的安装、紧密性，并且还以具有成本效益的方式实现了提高的带宽能力。本发明在光学总线系统要切换至工作状态时利用桥接或分流配置，以提高带宽能力并减少响应时间。此外，在启动状态期间，光学总线系统能够高效地向主模块提供系统中的每个从模块的位置和类型。此外，每个光学通信接口被布置成具有单独的光学接收器和光学发射器，以便允许全双工操作。

更进一步地，通过将信号路径布置在每个模块内，系统易于维护和安装，并且不需要考虑复杂的外部结构或接触。换言之，本发明使得可以简单地将单个模块安装到光学总线系统/从光学总线系统移除，因为各个模块之间不存在已经被发现是常见的错误来源的特殊接触设备。因此，提供了适合于在其中对可靠性和稳健性的要求很高的比如汽车或工业应用等恶劣环境中使用的稳健光学总线系统。根据示例性实施例，每个从模块还可以被布置成具有单独的/单个的电源。这进一步提高了每个模块之间的电流隔离，因此增强了系统的稳健性，因为可以将可能的错误隔离到单个模块中。

在启动状态期间，光学总线系统实施菊链式拓扑，以便以简单且稳健的方式执行寻址程序，这将在具体实施方式中更详细地例示和描述。出于初始系统配置的目的，寻址程序通常用于创建每个从模块的地址，并且用于确定每个从模块在链/行中的物理位置。接下来，光学总线系统配置为切换至具有更高带宽能力的配置，这是通过在每个从模块中引入分流上行信号路径完成的，该分流上行信号路径有效地允许从模块形成使得每个从模块能够直接与主模块进行通信的公共上行信号路径。另外，这还根据令牌环形拓扑向该组从模块中的最后一个从模块提供了到主模块的直接通信路径。此工作状态可以被认为是半并行状态。

根据本发明的示例性实施例，上行信号路径连接在上行接收节点与上行发射节点之间，并且其中上行发射节点包括具有高阻抗模式的上行三态缓冲器；

其中，在工作状态期间，在每个从模块中，

处理电路配置为生成控制信号以使得三态缓冲器在上行开关被闭合之前处于高阻抗模式，以便减少总线竞争。

这进一步增强了光学总线系统的稳健性。换言之，每个从模块的发射节点、或TX节点/引脚都具有三态缓冲能力，该三态缓冲能力允许光学总线系统控制多少装置能够在上行光学总线上发送信号。通常，人们希望防止多于一个模块在上行光学总线上写入/发射。三态缓冲器应被理解为逻辑门，其能够通过允许输出端口假定除了0逻辑电平和1逻辑电平之外的高阻抗状态来控制输出信号，从而有效地从电路移除输出。

根据本发明的另一个示例性实施例，光学总线系统进一步包括重置状态，其中，在所述重置状态期间，在每个从模块中，

所述处理电路配置为在所述上行光学接收器处接收到具有预定义长度的脉冲长度的重置信号时，打开所述上行开关并且在所述下行光学发射器处发射所述重置信号，以便将该系统重置为所述启动状态

重置状态在系统中出现某种错误的情况下尤其有用，例如，从模块的电源中断、寻址程序失败、从模块中的软件或硬件错误等。因此，提供了一种简单且具有成本效益的故障-安全机制，其有效地增强了光学总线系统的可靠性。

根据本发明的另一个示例性实施例，工作状态是第一工作状态，并且其中，光学总线系统进一步包括第二工作状态，其中，在第二工作状态期间，在每个从模块中，

处理电路配置为：

闭合下行开关以使得从第一光学接收器到该下行光学发射器形成分流下行信号路径，除了下行信号路径之外，该组从模块的分流下行信号路径一起形成下行光学总线，从而使得由该第一从模块的该光学接收器所接收的信息被广播给该组中的所有从模块，由此，主模块可以使用位置和标识码与该组模块中的每个从模块直接通信；并且

闭合上行开关以使得从下行光学接收器到上行光学发射器形成分流上行信号路径，除了上行信号路径之外，该组从模块的分流上行信号路径一起形成上行光学总线，从而允许从模块使用位置和标识码与主模块直接通信。

这将另一种工作状态引入系统中，在该工作状态中，实现广播消息传送，因此进一步增大了光学总线系统的带宽。在本实施例中，主模块有效地与光学总线系统中的每个从模块并行连接，因此，这个第二工作状态可以被认为是并行状态。

根据本发明的又另一个示例性实施例，下行信号路径连接在下行接收节点与下行发射节点之间，并且其中，下行发射节点包括具有高阻抗模式的下行三态缓冲器；

其中，在该第二工作状态期间，在每个从模块中，处理电路配置为生成控制信号以使得该下行三态缓冲器在该下行开关被闭合之前处于该高阻抗模式，以便减少总线竞争。与三态缓冲器被布置在上行信号路径中的之前所描述的实施例类似，这也增强了光学总线系统的稳健性。

根据又另一个示例性实施例，光学总线系统进一步包括重置状态，其中，在该重置状态期间，在每个从模块中，

该处理电路配置为在该上行光学接收器处接收到具有预定义长度的脉冲长度的重置信号时，打开该上行开关，打开该下行开关，并且在该下行光学发射器处发射该重置信号，以便将该系统重置为该启动状态。这是为了使光学总线系统从第二工作状态回到启动状态的附加重置状态。除此之外，此程序很大程度上类似于上文所描述的与第一工作状态(即，半并行状态)相关联的重置程序。

根据又另一个示例性实施例，其中，布置成与彼此光学接触的每个相邻的上行通信接口和下行通信接口包括下行光学通信路径和上行光学通信路径；并且

其中，该光学总线系统包括布置在每个下行光学通信路径与上行通信路径之间的光学屏蔽件，以便减少串扰并且实现全双工通信。根据此实施例，在每个相邻模块之间形成的这两条光学通信路径优选地由光学屏蔽件分隔开，从而使得显著降低潜在的串扰风险。在其他示例性实施例中，这两个光学通信路径可以替代地分隔开充足的距离，使得在下行光学通信路径中从光学发射器所发射的光无法到达上行光学通信路径中的光学接收器，并且反之亦然。然而，由于例如空间要求或电路拓扑，这在某种应用中可能是不可行的，因此在这种情况下光学屏蔽件可以是有用的解决方案，以便实现两个模块之间的全双工通信。在一个示例性实施例中，光学屏蔽件包括布置在该下行通信接口的该光学发射器与该光学接收器之间的突出构件，并且其中，该突出构件可布置在布置于该上行通信接口的该光学发射器与该光学接收器之间的相应凹部中。

在又另一个示例性实施例中，该主模块的该下行光学接口包括经由光导与该主光学发射器和该主光学接收器中的每一个光学连接的一个光学窗口；

其中，每个从模块的该下行光学接口包括经由光导与该下行光学发射器和该下行光学接收器中的每一个光学连接的一个光学窗口；并且

其中，每个从模块的上行光学接口包括经由光导与该上行光学发射器和该上行光学接收器中的每一个光学连接的一个光学窗口。

这是将光学屏蔽件布置在相邻光学接口之间形成的两条光学路径之间的替代方案。光导用于类似的目的，以确保从光学发射器发射的光被正确地引导朝向预期的光学接收器，以便减少串扰。此外，减少了对相邻模块之间的连接器或连接结构的需求，这有助于安装和移除系统中的各个模块。光导还增强了系统的稳健性，因为减小了对相邻模块的完美对准的需求，即，相邻模块可以略微地未对准或分离并仍然起作用。术语“光学窗口”将被理解为一种类型的窗口，即，由透明材料制成的板或盘，其被设置在主模块和从模块的壳体中，并且被布置成使得光学信号可以由布置在每个模块的壳体内的发射器/接收器通过窗口发射/接收。

将参考下文所描述的实施例在下文中进一步阐明本发明的这些或其他特征。

附图说明

为了示例性的目的，将参考附图中所展示的本发明的实施例在下文中更详细地描述本发明，在附图中：

图1展示了根据本发明的实施例的光学总线系统的示意性电路；

图2a至2b展示了根据本发明的实施例的光学总线系统的立体图；

图3a至3b展示了根据本发明的另一实施例的光学总线系统的立体图；

图4a展示了根据本发明的实施例的处于启动状态中的光学总线系统的框图表示；

图4b展示了处于第一工作状态中的来自图4a的光学总线系统的框图表示；

图5a展示了根据本发明的另一实施例的处于启动状态中的光学总线系统的框图表示。

图5b展示了处于第二工作状态中的来自图5a的光学总线系统的框图表示。

具体实施方式

在以下具体实施方式中，将描述本发明的一些实施例。然而，将理解的是，除非特别指出其他内容，否则不同实施例的特征在实施例之间是可互换的，并且可以以不同方式进行组合。尽管在以下描述中阐述了许多具体细节以便提供对本发明的更透彻理解，但对本领域技术人员而言将明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他实例中，未详细描述公知的构造或功能以避免模糊本发明。

图1展示了根据本发明的实施例的光学总线系统1的示意性电路。光学总线系统1包括主模块2，该主模块包括下行光学通信接口3，该下行光学通信接口包括：在此采用LED(发光二极管，例如，IR-LED)形式的主光学发射器4、以及在此采用光电二极管形式的主光学接收器5。与这两个光学部件4、5有关的术语“主”仅仅用于通过提供标签来促进可读性。

进一步地，光学总线系统1包括一组从模块6，在此仅展示了两个从模块6a、6b，但是根据预期应用和规范，一组可以是任何合适的数量。此外，出于实际原因并且为了提高附图中的可见性，可能只在第一从模块6a中展示一些部件或零件，但是将理解的是，每个从模块可以包括就功能而言相同或等效的部件。

从模块6在主模块2旁边依次布置成行(这将参考图2a至图2b和图3a至图3b进一步阐明)。第一从模块6a布置成紧邻主模块2。每个从模块6包括处理电路15，在此以框表示示出。此外，每个从模块包括上行光学通信接口7，该上行光学通信接口包括在此采用光电二极管形式的上行光学接收器9、以及在此采用LED(例如，IR-LED)形式的上行光学发射器10。每个从模块6进一步包括下行光学通信接口8，该下行光学通信接口具有下行光学接收器11(例如，光电二极管)以及下行光学发射器12(例如，IR-LED)。术语下行和上行是参考主模块2，即，下行应解释为在沿从模块6的链远离主模块2的方向上，而上行是相反方向(朝向主模块2)。因此，从模块的上行光学接口是当附接至支撑结构时从模块中面朝主模块的接口，即，当从模块附接至支撑结构时从模块中具有朝向主模块的法线向量的表面。此外，存在经由处理电路15从上行光学接收器9到下行光学发射器12的下行信号路径，以及经由该处理电路从下行光学接收器11到上行光学发射器10的上行信号路径；然而，这两条分流信号路径都将参考图4a至图4b和图5a至图5b进一步讨论。

更进一步地，主模块2和从模块6还包括发射电路，该发射电路包括用作向光学发射器4、10、12供应电压的中继的MOSFET 16(金属氧化物半导体场效应晶体管)，该中继由处理电路15生成并且施加在每个MOSFET 16的栅极处的栅极信号来控制。从模块6还包括采用比较器17形式的接收电路，其中，一个输入端连接至光学接收器5、9、11，并且另一个输入端连接至参考电压。比较器17各自配备有正反馈电路，以便将某些滞后引入比较器17的输出，从而提高接收电路的稳定性。从模块6进一步包括一对开关18a和18b，以便根据光学总线系统1当前所处的状态(启动状态、第一工作状态/第二工作状态)来提供/移除分流信号路径。

第一从模块6a的上行光学通信接口7与主模块2的下行光学通信接口3光学接触，以便实现这两者之间的由它们之间的箭头所指示的光学通信。进一步地，每个后续模块(在此展示中为6b)的上行光学通信接口7与前一从模块(在此展示中为6a)的下行光学通信接口8光学接触，以便实现相邻模块之间的光学通信，如由这两个从模块6a、6b之间的箭头所指示的。短语“与……光学接触”可以理解为相邻模块的相应发射器/接收器彼此对准并且彼此非常接近以使得可以实现光学通信。

此外，光学总线系统1具有：布置在每个光学窗口(设置在每个模块的壳体中)(参见例如图2a至2b)与光学接收器5、9、11或光学发射器4、10、12之间的一组光导19。光导19通过如由模块2、6之间的箭头所指示的将光正确地引导朝向预期目标来改善相邻光学接收器与发射器之间的光学连接。因此，可以使系统更加稳健，并且减小了对布置在相邻模块之间例如采用光纤形式的光学接触或结构的需求。

在光学总线系统1的启动状态期间，例如，在已经被安装好之后的配置期间，每个从模块6的处理电路15配置为使得光学总线系统1根据菊链式拓扑进行通信。也就是说，每个从模块6形成其本身周围的局部网络，即，每个从模块可以仅与相邻模块直接通信。例如，如果主模块2要向该行更下方的从模块6(例如，从模块6b)发送消息，则消息必须通过中间的每个从模块6(即，从模块6a)并且在某种程度上被这些从模块处理。菊链式网络拓扑极大地促进了光学总线系统1的寻址程序，即，在主模块2检索光学总线系统1中每个从模块6(在链中)的位置以及每个从模块6的标识码(例如，模块类型)时的程序。光学总线系统可以被布置成根据支持流控制、数据成帧和差错控制的任何通信协议、比如MODBUS、HDLC或者任何定制设计协议等来操作，从而以全双工或半双工方式进行操作。

在光学总线系统1的工作状态(第一工作状态)期间，每个从模块6的处理电路15配置为闭合在此采用FET开关或通信开关形式的上行开关18a，使得从每个从模块6的下行光学接收器11到上行光学发射器10形成分流上行信号路径。处理电路系统15可以通过例如向通信开关18a的栅极供应信号来控制上行通信开关18a。在本上下文中，“分流信号路径”可以被解释为处理电路15被有效地分流。在此第一工作状态中，其导致每个从模块6都能够与主模块2直接通信，这增大了系统的带宽。此外，光学总线系统1可以根据令牌环形拓扑/架构来操作，因为一组从模块中的最后一个从模块6被有效地提供与主模块2的直接通信路径。将参考图4a至图4b进一步阐明分流上行信号路径的功能。

在光学总线系统1的另一种工作状态(第二工作状态)中，每个从模块6的处理电路15配置为闭合下行开关18b，使得除了之前所描述的形成分流上行信号路径之外从上行光学接收器9到下行光学发射器12形成分流下行信号路径。这通过允许主模块2与每个从模块6直接通信并使用广播消息传送而进一步增大了光学总线系统1的带宽。如所提及的，光学总线系统1可以配置为根据支持流控制、数据成帧和差错控制的任何通信协议来操作，从而以全双工或半双工方式进行操作。然而，光学总线系统可以进一步配置为根据还支持多点通信和寻址可能性的通信协议来操作。通信协议可以进一步支持用于安全关键应用的扩展冗余、帧排序、心跳功能。更进一步地，通信协议可以使用比如IEEE 1588等协议来支持关键定时要求的分布式时钟同步。

光学总线系统1还具有重置状态。每个从模块6的处理电路15通常配置为监测在上行光学接收器9处所接收的信号(无论系统处于哪种状态)。然而，在上行光学接收器9处接收到重置信号(例如，具有预定义长度的脉冲长度或特定脉冲模式的信号)时，处理电路15配置为断开上行开关18a(和下行开关18b，如果系统处于第二工作状态)以便断开分流信号路径并且使系统回到菊链式拓扑(即，启动状态)。如果例如寻址程序失败，或者如果存在导致从模块6丢失其地址或任何其他配置参数的电源中断，可以例如由主模块2来激活重置状态。

图2a展示了包括在此采用如例如DIN导轨等导轨形式的机械支撑结构21的光学总线系统1的立体图。主模块2机械地附接至导轨21，连同三个从模块6a、6b、6c也在主模块2的旁边依次成行地机械附接至导轨21。该图展示了在安装并附接至导轨21的过程中的第四从模块6d，如由箭头所指示的。图2b展示了附接第四从模块6d的后续步骤，并且用于进一步展示第四从模块6d的上行光学接口旨在如何与前一(第三)从模块6c的下行光学接口光学接触，由此，在相邻模块之间形成两个光学通信路径。如上文参考图1所描述的，第三从模块6c的下行光学通信接口8具有下行光学发射器12和下行光学接收器，并且第四从模块6d的上行光学通信接口7具有相应的上行光学接收器9和上行光学发射器10。因此，相邻模块之间的光学通信包括：下行光学发射器12与上行光学接收器9之间的下行光学通信路径、以及上行光学发射器10与下行光学接收器11之间的上行光学通信路径。

读者应当容易理解的是，所有附接的从模块6a、6b和6c可以包括完全相同的下行光学接口和上行光学接口，并且主模块2包括相应的下行光学接口。这将另外的动态性引入了系统1，因为任何从模块6a至6d都可以被定位在导轨21上的任何位置。由于相邻模块之间缺少麻烦的电接触，此外还应理解的是，从模块可以安装(滑入并且机械地附接)在两个已经机械地附接的从模块之间，并且图2a至2b中所展示的示出了从模块6d被安装在从模块6a至6d的行的最后位置的示例是出于说明性的目的而选择的。由于实际上只需要在相邻模块的光学接口之间的良好对准，因此系统1易于重新配置和维护，因为相邻模块之间不存在例如在需要替换任何位置处的从模块6a至6d的情况下、或者在需要添加另一个从模块的情况下可能难以连接/断开的复杂电接触。

从模块6被放置成非常接近彼此(参见例如模块6a、6b、6c)，以便确保良好的光学接触，并且以便最小化入射光学接收器9、11并因此向光学信号添加噪声的环境光的量。光学窗口109、110、111、112(各自与光学接收器/发射器9、10、11、12之一相关联)在每个单个模块上彼此充分地间隔开，以便最小化串扰并实现全双工通信。光学窗口109、110、111、112可以分隔开例如15mm至35mm、或20mm至30mm、或25mm的距离。主模块2还具有设置在其壳体中下行光学接口处的一对光学窗口，但它们未在图2a至2b中示出。光学窗口109、110、111、112可以例如是盘状的透明玻璃片或塑料片，光学信号可以通过该片而发射。

图3a至3b展示了根据本发明的另一个示例性实施例的光学总线系统1的立体图。此特定示例就功能而言在很大程度上与上文参考图2a至2b所描述的实施例类似。然而，在本实施例中，光学屏蔽件22a至22b被布置在(发射器12与接收器9之间的)下行光学通信路径与(发射器10与接收器11之间的)上行下行光学通信路径之间。通过将光学屏蔽件22a至22b布置在这两个光学通信路径之间，可以移除潜在串扰并且实现全双工通信(即，两个相邻从模块两者可以同时发送和接收光学信号)。此外，光学屏蔽件22a至22b提高了关于相邻模块定位的容差，并且因此增强了系统1的稳健性。尽管光学屏蔽件22a至22b被展示为可布置在相应凹部22b中的突出构件22a，但其他构造性解决方案也是可行的，例如，突出构件22a和凹部22b的位置可以互换、可以替代地使用薄弹性材料层、每个光学窗口109、110、111、112可以具有弹性材料框等等。突出构件22a还可以是可缩回(到相关联从模块6的壳体中)的，以便允许在两个模块之间进行安装/定位。

图4a以框图表示展示了以启动状态操作的光学总线系统1；光学总线系统具有带有下行光学通信接口3的主模块2、以及三个从模块6a至6c。从模块6a至6c在主模块2旁边依次布置成行，其中，第一从模块6a被布置成在主模块2旁边。每个从模块6包括处理电路15、上行通信接口7和下行通信接口8。每个从模块进一步具有经由(或通过)处理电路从上行光学接收器到下行光学发射器的下行信号路径28。图中没有明确地指出光学接收器或光学发射器，以便提高可视性，替代地，参见例如图1中的参考标记9至12。此外，每个从模块还具有从下行光学接收器经由处理电路15的上行信号路径29。

第一从模块6a的上行光学通信接口7与主模块2的下行光学通信接口3光学接触，如由它们之间的、表示下行光学通信路径24和上行光学通信路径25的箭头所指示的。进一步地，每个后续从模块6a、6b使其上行光学通信接口被布置成与前一从模块的下行光学通信接口光学接触。每个从模块之间的光学通信路径由箭头24、25所指示。光学屏蔽件22被布置在下行光学通信路径24与上行光学通信路径25之间，以便最小化串扰。

每个从模块6被布置成具有单个的/单独的电源26，从而进一步提高了系统1的动态性，因为不存在将使整个结构复杂化的公共电源线或电源共享。然而，从模块6可以共享公共电源而不脱离本发明的范围。此外，从模块可以被布置成具有I/O(输入/输出)接口，如由双头箭头27所指示的。在光学总线系统1处于启动状态时，每个从模块6形成其本身周围的局部网络，因为其仅可以与紧邻模块直接通信。因此，从主模块发送的旨在用于链中的最后一个从模块6c的数据必须通过链中的所有前面的从模块6a、6b(并且由其处理)。这被称为菊链式拓扑，并且不需要对其一般性质进行进一步的讨论，因为它们是本领域技术人员容易知晓的。

光学总线系统1以启动状态操作以便执行寻址程序，由此，主模块2配置为检索系统1中的每个从模块6的位置(机架中或导轨上的)以及标识码(例如，模块类型、状态等)。寻址程序可以被描述为：在系统启动之后，主模块2配置为向下行发送光学信号“询问”是否存在从模块，第一从模块6a配置为通过陈述位置和标识码(例如，类型)来回复。接下来，主模块2“询问”是否存在其他从模块，第一从模块6a接收“第二问题”并将该问题作为光学信号从其下行光学接口8向更下行发送，其中，该光学信号由第二从模块6b的上行光学接口7所接收。第二从模块6b然后通过陈述位置和标识码(例如，类型)来回复，并且经由其上行光学接口7发射信息，该信息由第一从模块6a接收，该第一从模块随后将此信息发送至主模块2。这个过程重复直到链中不再存在从模块6。在寻址程序完成之后，所有从模块6知道它们在链中(或在导轨21上)的位置，并且主模块2知道每个从模块6的类型和位置。

接下来，系统1配置为切换至工作状态(第一工作状态)。主模块2将包括指令(由每个从模块的处理电路可读并可执行)的控制信号发送至第一从模块6a以闭合上行开关18a，使得形成如图4b中所指示的分流上行信号路径30。第一从模块6a进一步包括沿上行信号路径的上行接收节点43和上行发射节点44。上行发射节点可以包括具有高阻抗模式的上行三态缓冲器。第一从模块中的处理电路15可以然后配置为在闭合上行开关18a之前将上行三态缓冲器设置为高阻抗模式。这是为了最小化总线竞争。在形成分流上行信号路径30之后，第一从模块6a将信号发射至链中的后续从模块6b，该从模块配置为执行相应的程序，即，闭合上行开关18a并且可选地将上行发射节点44中的三态缓冲器设置为高阻抗模式。

这个过程在系统1中沿从模块6的链的每个从模块6中重复，直到所有上行信号路径29被分流，并且实现环形架构类型，其中，最后一个从模块6c直接连接至主模块2(即，能够与主模块2直接通信)。

此外，主模块2可以配置为根据在寻址程序期间所检索的信息(即，有多少从模块、在哪个位置、以及那种类型)来计算此“切换”程序的时间估计值，即，系统中的每个从模块6具有被分流的上行信号路径应花费的时间。因此，主模块2可以在此估计时间量之后执行状态检查。

通过切换至工作状态而不是保持在启动状态，系统1的速度能力得到提高。例如，在状态检查情境下，请求来自每个从模块6的状态更新的主模块2可以向第一从模块6a发送请求，该第一从模块将该请求中继至链的更下方到第二模块，但是将其自己的状态信息附加到所中继的信号，该信号沿链继续直到其到达最后一个模块6c，该模块直接向主模块发射包含关于所有从模块6的状态的信息，而不是主模块2与更早描述的寻址程序类似地单独询问每个从模块6。此第一工作状态还可以被称为半并行(或环形模式)状态。

光学总线系统1可以例如在系统中存在某种错误、例如状态检查程序失败或者如果电源26中断的情况下进一步包括重置状态。在此重置状态期间，每个从模块6配置为在接收到重置信号时断开上行开关18a，并且因此断开分流上行信号路径30，以便使系统1回到菊链式配置(即，启动状态)。重置信号可以由主模块2发起并经由主模块与第一从模块6a之间的下行光学路径24被发射至该第一从模块6a；在断开每个从模块6中的上行开关18a之后，重置信号随后由链中的每个从模块6所中继。重置信号优选地是具有预定义长度的脉冲信号，例如，具有比常规操作期间所接收的正常脉冲中的任一脉冲基本上更长的脉冲长度。因此，在重置状态期间，使系统1从图4b中示出的工作状态进入图4a中示出的启动状态。

图5a展示了根据本发明的另一个实施例的以框图表示的以启动状态操作的光学总线系统1。参考图4a的上述讨论在很大程度上同样适用于本实施例，由此，被认为描述了关于相同部分或功能的讨论。图5a中所展示的光学总线系统1与图4a中的系统的不同主要在于此系统1可以以第二工作状态操作。在系统1加电并且完成寻址程序(与参考图4a至图4b所描述的寻址程序相同)之后，光学总线系统1可以切换至第二工作状态。

主模块2将包括指令(由每个从模块6的处理电路15可读并可执行)的控制信号发送至第一从模块6a，以便闭合下行开关18b以使得形成分流下行信号路径31，如在图5b中沿下行信号路径31的箭头流所指示的。进一步地，第一从模块6a的处理电路15还配置为闭合上行开关18a以使得形成分流上行信号路径30，同样由在图5b中沿上行分流信号路径30的箭头流所指示的。这有效地在系统中的主模块2与每个从模块6之间形成了直接通信路径(并行连接)。因此，此第二工作状态可以被称为并行状态或主-从状态。

处理电路可以进一步配置为在闭合开关18a、18b之前将每个发射节点42、44处的三态缓冲器设置为高阻抗模式，以便最小化总线竞争。

在从模块6的链中的每个从模块6中重复一般分流过程，直到每个从模块中的所有下行信号路径和上行信号路径都被分流。因此，实现了光学总线系统1中的主模块2与每个从模块6之间的直接双向通信路径，这显著增大了系统的带宽并且此外实现了经由广播协议进行通信。主模块2可以例如通过向位序列添加唯一标识符来向特定的从模块6发送数据，该标识符是由寻址程序期间所检索的标识码导出的。此外，主模块2可以配置为请求来自每个从模块6的状态报告，由此，每个从模块配置为发射指示关于上行光学总线的状态的信号。在这种情境下，光学总线系统1可以配置成使得每个从模块6以预定义的有序顺序发射状态信号。每个模块2、6优选地被布置成在总线拥塞的情况下具有UART(通用异步接收机/发射机)能力。

系统1可以例如在系统中存在某种错误、例如状态检查程序失败或者如果电源中断的情况下进一步包括另一种重置状态。在此重置状态期间，每个从模块6配置为在接收到重置信号时断开上行开关18a和下行开关18b，并且因此断开分流上行信号路径30和分流下行信号路径31，以便使系统1回到菊链式配置(即，启动状态)。重置信号可以由主模块2发起并广播至系统1中的所有从模块6，或者其可以经由主模块与第一从模块6a之间的下行光学路径24被发射至该第一从模块。在后一种情况下，在断开每个从模块6中的上行开关18a和下行开关18b之后，重置信号随后由链中的每个从模块6中继。重置信号优选地是具有预定义长度的脉冲信号，例如，具有比常规操作期间所接收的正常脉冲中的任一脉冲基本上更长的脉冲长度。因此，在重置状态期间，使系统1从图5b中示出的工作状态进入图5a中示出的启动状态。

Claims (10)

1.一种具有启动状态和工作状态的光学总线系统(1)，所述系统包括：

机械支撑结构(21)；

主模块(2)，机械地附接至所述机械支撑结构(21)，所述主模块包括下行光学通信接口(3)，该下行光学通信接口包括主光学发射器(4)和主光学接收器(5)；

一组从模块(6)，在所述主模块(2)旁边依次成行地机械附接至所述机械支撑结构(21)，该组从模块(6)包括布置成在所述主模块旁边的第一从模块(6a)以及至少一个后续从模块，每个从模块包括：

处理电路(15)，

上行光学通信接口(7)，包括上行光学接收器(9)和上行光学发射器(10)，

下行光学通信接口(8)，包括下行光学接收器(11)和下行光学发射器(12)，

下行信号路径(28)，经由所述处理电路从所述上行光学接收器(9)到所述下行光学发射器(12)，以及

上行信号路径(29)，经由所述处理电路从所述下行光学接收器(11)到所述上行光学发射器(10)；

其中，该第一从模块(6a)的该上行光学通信接口(7)与该主模块(2)的该下行光学通信接口(3)光学接触，并且每个后续从模块的上行光学通信接口(8)与该行中的前一从模块的下行光学通信接口光学接触，以便实现相邻模块之间的光学通信；

其中，在所述启动状态期间，在每个从模块中，所述处理电路(15)配置为实施菊链式拓扑并执行寻址程序，由此，所述主模块(2)配置为检索每个从模块(6)的位置和标识码；

其中，在所述工作状态期间，在每个从模块(6)中，所述处理电路(15)配置为闭合上行开关(18a)以使得从所述下行光学接收器(11)到所述上行光学发射器(10)形成分流上行信号路径(30)，除了所述上行信号路径(29)之外，该组从模块的分流上行信号路径一起形成上行光学总线，从而允许每个从模块(6)使用所述位置和标识码与所述主模块(2)直接通信。

2.根据权利要求1所述的光学总线系统(1)，其中，所述上行信号路径(29)包括上行接收节点(43)和上行发射节点(44)，并且其中，所述上行发射节点包括具有高阻抗模式的上行三态缓冲器；

其中，在所述工作状态期间，在每个从模块中，

所述处理电路(15)配置为生成控制信号以使得所述三态缓冲器在所述上行开关(18a)被闭合之前处于该高阻抗模式，以便减少总线竞争。

3.根据权利要求1或2所述的光学总线系统(1)，其中，所述工作状态是第一工作状态，并且其中，所述光学总线系统进一步包括第二工作状态，其中，在所述第二工作状态期间，在每个从模块(6)中，

所述处理电路(15)配置为：

闭合下行开关(18b)以使得从所述下行光学接收器(9)到所述下行光学发射器(12)形成分流下行信号路径(31)，除了所述下行信号路径(28)之外，该组从模块的分流下行信号路径一起形成下行光学总线，从而使得由该第一从模块的该光学接收器所接收的信息被广播给该组中的所有从模块，由此，所述主模块可以使用所述位置和标识码与所述一组模块中的每个从模块直接通信；并且

闭合上行开关(18a)以使得从所述下行光学接收器(11)到所述上行光学发射器(10)形成分流上行信号路径(30)，除了所述上行信号路径之外，该组从模块的分流上行信号路径一起形成上行光学总线，从而允许从模块使用所述位置和标识码与所述主模块直接通信。

4.根据权利要求3所述的光学总线系统(1)，其中，所述下行信号路径(28)包括下行接收节点(41)和下行发射节点(42)，并且其中，所述下行发射节点包括具有高阻抗模式的下行三态缓冲器；

其中，在所述第二工作状态期间，在每个从模块中，

所述处理电路配置为生成控制信号以使得所述下行三态缓冲器在所述下行开关被闭合之前处于该高阻抗模式，以便减少总线竞争。

5.根据权利要求1或2所述的光学总线系统(1)，进一步包括重置状态，其中，在所述重置状态期间，在每个从模块(6)中，

所述处理电路(15)配置为在所述上行光学接收器(9)处接收到具有预定义长度的脉冲长度的重置信号时，断开所述上行开关(18a)并且在所述下行光学发射器(12)处发射所述重置信号，以便将该系统重置为所述启动状态。

6.根据权利要求3或4所述的光学总线系统(1)，进一步包括重置状态，其中，在所述重置状态期间，在每个从模块(6)中，

所述处理电路(15)配置为在所述上行光学接收器(9)处接收到具有预定义长度的脉冲长度的重置信号时，断开所述上行开关(18a)，断开所述下行开关(18b)，并且在所述下行光学发射器(12)处发射所述重置信号，以便将该系统重置为所述启动状态。

7.根据以上权利要求中任一项所述的光学总线系统(1)，其中，每个从模块被布置成具有单独的电源(26)。

8.根据以上权利要求中任一项所述的光学总线系统(1)，其中，该主模块(2)的该下行光学接口(3)包括经由光导(19)与所述主光学发射器(4)和所述主光学接收器(5)中的每一个光学连接的一个光学窗口；

其中，每个从模块(6)的该下行光学接口(8)包括经由光导(19)与所述下行光学发射器(12)和所述下行光学接收器(11)中的每一个光学连接的一个光学窗口(111，112)；并且

其中，每个从模块(6)的该上行光学接口(7)包括经由光导(19)与所述上行光学发射器(10)和所述上行光学接收器(9)中的每一个光学连接的一个光学窗口(109，110)。

9.根据以上权利要求中任一项所述的光学总线系统(1)，其中，布置成彼此光学接触的每个相邻的上行通信接口(7)和下行通信接口(3，8)包括下行光学通信路径(24)和上行光学通信路径(25)；并且

其中，所述光学总线系统(1)包括布置在每个下行光学通信路径与上行通信路径之间的光学屏蔽件(22)，以便减少串扰并且实现全双工通信。

10.根据权利要求8所述的光学总线系统(1)，其中，所述光学屏蔽件(22)包括布置在所述下行通信接口(3，8)的该光学发射器与该光学接收器之间的突出构件(22a)，并且其中，所述突出构件可布置在布置于所述上行通信接口(7)的该光学发射器(10)与该光学接收器(9)之间的相应凹部(22b)中。